Кабели с изоляцией из полиэтилена (PE): свойства, классификация и область применения

Изоляция из полиэтилена (PE) представляет собой ключевой материал в кабельной промышленности, используемый для создания барьера между токопроводящей жилой и окружающей средой или другими жилами. Полиэтилен – это термопластичный полимер, получаемый полимеризацией этилена. Его применение в кабельной технике обусловлено комплексом диэлектрических, механических и химических свойств. В зависимости от метода производства и структуры, различают несколько основных типов полиэтилена для изоляции: полиэтилен низкой плотности (LDPE), полиэтилен средней плотности (MDPE), полиэтилен высокой плотности (HDPE) и, что наиболее важно для силовых кабелей на среднее и высокое напряжение, сшитый полиэтилен (XLPE).

Классификация и типы полиэтиленовой изоляции

Основные виды полиэтилена, используемые в качестве изоляционного материала, различаются по плотности, молекулярной структуре и способу обработки.

• Полиэтилен низкой плотности (LDPE / ПНД): Имеет разветвленную молекулярную структуру, что обеспечивает гибкость, хорошие диэлектрические характеристики (тангенс угла диэлектрических потерь ~0.001) и простоту экструзии. Рабочая температура обычно до +70°C. Применяется преимущественно в кабелях связи, контрольных кабелях, кабелях для слаботочных систем.
• Полиэтилен высокой плотности (HDPE / ПВД): Обладает линейной структурой с высокой степенью кристалличности. Это обеспечивает повышенную механическую прочность, стойкость к растрескиванию и меньшую газопроницаемость по сравнению с LDPE. Однако он менее гибкий. Применяется в оболочках кабелей, в изоляции оптических кабелей, в кабелях для постоянного тока.
• Сшитый полиэтилен (XLPE / ПС): Это полиэтилен, молекулы которого «сшиты» в трехмерную сетчатую структуру в процессе химической или радиационной обработки. Эта структура кардинально меняет свойства материала: он становится термореактивным. Рабочая температура повышается до +90°C (кратковременно до +130°C или +250°C в зависимости от режима), резко возрастает стойкость к тепловому старению и растрескиванию под напряжением. Именно XLPE является доминирующим материалом для изоляции силовых кабелей на напряжение от 1 кВ до 500 кВ.

Сравнительные характеристики изоляционных материалов на основе PE

Параметр	LDPE	HDPE	XLPE	ПВХ (для сравнения)
Плотность, г/см³	0.915-0.925	0.941-0.965	0.92-0.95	1.2-1.4
Рабочая температура, °C	до +70	до +70	до +90	до +70
Тангенс угла диэлектрических потерь (50 Гц)	~0.001	~0.001	~0.001	~0.1
Диэлектрическая проницаемость (50 Гц)	~2.3	~2.3	~2.3	~6.0
Удельное объемное сопротивление, Ом·см	>10^16	>10^16	>10^16	~10^14
Стойкость к воде и влаге	Отличная	Отличная	Отличная	Хорошая
Гибкость	Очень высокая	Средняя/Низкая	Зависит от степени сшивки	Высокая
Основная область применения в кабелях	Связь, контроль, НКУ	Оболочки, ОК, постоянный ток	Силовые кабели среднего и высокого напряжения	Монтажные, силовые НН, контрольные

Конструкции кабелей с изоляцией PE и XLPE

Конструкция кабеля определяется его назначением и рабочим напряжением.

1. Кабели связи и контроля с изоляцией LDPE/HDPE

Жилы (медные, диаметром до 1.5 мм²) покрываются сплошным слоем полиэтилена. Несколько таких изолированных жил скручиваются в сердечник, поверх которого может накладываться экран (фольга, оплетка) и оболочка из ПВХ или PE. Такие кабели гибкие, с малым диаметром.

2. Силовые кабели низкого напряжения (до 1 кВ) с изоляцией из PE

Применяются реже, чем ПВХ, в специфических условиях (например, при повышенных требованиях к диэлектрическим потерям). Конструкция аналогична ВВГ: токопроводящая жила, изоляция из LDPE/HDPE, оболочка из ПВХ или PE.

3. Силовые кабели среднего и высокого напряжения (от 6 кВ) с изоляцией из XLPE

Конструкция таких кабелей сложна и строго регламентирована (ГОСТ, МЭК, ТУ). Основные элементы:

• Токопроводящая жила: Медь или алюминий, секторной или круглой формы, многопроволочная для сечений выше 35-50 мм².
• Экран по жиле (внутренний полупроводящий): Слой из сшитого полупроводящего полиэтилена или наложенная полупроводящая лента. Выравнивает электрическое поле, устраняя микроскопические неровности поверхности жилы.
• Изоляция: Основной слой сшитого полиэтилена (XLPE) заданной толщины, зависящей от номинального напряжения.
• Экран по изоляции (внешний полупроводящий): Аналогичен внутреннему экрану. Вместе с внутренним экраном создает коаксиальную конструкцию, ограничивающую электрическое поле внутри изоляции.
• Металлический экран/заземлитель: Медная или алюминиевая оплетка, гофрированная лента или проволоки. Служит для защиты от внешних электромагнитных помех, замыкания токов утечки и как элемент системы заземления.
• Защитный покров (оболочка): Из полиэтилена (PE) или поливинилхлорида (ПВХ). Защищает металлический экран от коррозии и обеспечивает механическую защиту. Для кабелей с оболочкой из PE (тип XLPE-PE) характерна высокая стойкость к влаге и агрессивным средам.

Преимущества и недостатки кабелей с изоляцией PE/XLPE

Преимущества:

• Высокие диэлектрические показатели: Низкие диэлектрические потери (тангенс дельта) и диэлектрическая проницаемость, что позволяет снижать нагрев в изоляции и увеличивать пропускную способность кабеля, особенно на высоких напряжениях.
• Высокая влагостойкость: Полиэтилен практически негигроскопичен.
• Отличная химическая стойкость: Устойчивость к маслам, кислотам, щелочам (особенно у HDPE и XLPE).
• Механическая прочность и стойкость к ударам (для HDPE и XLPE).
• Для XLPE: Повышенная рабочая температура и стойкость к тепловому старению, высокая стойкость к растрескиванию под напряжением.
• Экологическая и пожарная безопасность (для специальных марок): Существуют безгалогенные, огнестойкие композиции на основе полиэтилена (LSZH), не выделяющие коррозионных газов при горении.

Недостатки:

• Горючесть стандартных марок: Обычный PE и XLPE горючи и поддерживают горение. Для объектов с повышенными требованиями пожарной безопасности требуются специальные огнезащитные покрытия или применение негорючих композиций (LSZH).
• Чувствительность к солнечному свету: Полиэтилен подвержен фотоокислительной деструкции под действием УФ-излучения. Для кабелей, прокладываемых на открытом воздухе, требуется применение стабилизированного черного полиэтилена (с сажей) или защитных покровов.
• Более высокая стоимость по сравнению с кабелями в ПВХ изоляции (для силовых кабелей НН).
• Сложность монтажа кабелей XLPE на высокое напряжение: Требуется тщательная подготовка концов кабеля, установка концевых муфт с обязательным восстановлением экранов.

Области применения кабелей с изоляцией PE

• Кабели связи и передачи данных: Коаксиальные кабели, кабели для городских и междугородных телефонных сетей (ТПП), витые пары (UTP/FTP) – в качестве изоляции отдельных пар.
• Контрольные кабели: Для цепей контроля, измерения, сигнализации в условиях возможного воздействия влаги и агрессивных сред (КВВГ, КВБбШв и др.).
• Силовые кабели низкого напряжения: В специфических установках, где важны низкие диэлектрические потери (например, в длинных линиях).
• Силовые кабели среднего и высокого напряжения (XLPE): Основа современных кабельных линий электропередачи 6, 10, 35, 110, 220 кВ и выше. Прокладка в земле (траншеях), туннелях, каналах, блоках, по эстакадам, внутри помещений.
• Кабели для постоянного тока (HDPE): Благодаря высокому удельному сопротивлению и стойкости к растрескиванию.
• Самонесущие изолированные провода (СИП): Изоляция жил из светостабилизированного или сшитого полиэтилена.
• Кабели для нефтегазовой и химической промышленности: Где требуется стойкость к агрессивным средам.
• Судовые кабели: С применением специальных композиций, стойких к морской воде и плесени.

Стандарты и маркировка

Производство кабелей с изоляцией PE регламентируется национальными и международными стандартами.

• ГОСТ 22483-2012 (жилы токопроводящие).
• ГОСТ 31996-2012 «Кабели силовые с пластмассовой изоляцией на номинальное напряжение 0,66, 1 и 3 кВ». Включает кабели с изоляцией из PE и PVC.
• ГОСТ Р 53769-2010 (МЭК 60502-1:2004) «Кабели силовые с пластмассовой изоляцией на номинальное напряжение от 1 кВ до 30 кВ включительно». Основной стандарт для кабелей с изоляцией XLPE до 30 кВ.
• Серия стандартов МЭК 60502 (части 1, 2, 3, 4) – международный аналог.
• МЭК 60840 – для кабелей на напряжение от 30 кВ до 150 кВ.
• МЭК 62067 – для кабелей на напряжение выше 150 кВ.

Маркировка кабелей в российской практике указывает на материал изоляции и оболочки. Например: ПвВГ – изоляция из сшитого полиэтилена (Пв), оболочка из поливинилхлорида (В), гибкий (Г). АПвПу – алюминиевая жила (А), изоляция из сшитого полиэтилена (Пв), оболочка из полиэтилена усиленного (Пу).

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем принципиальная разница между кабелями ВВГ и ПвВГ?

Кабель ВВГ имеет изоляцию и оболочку из поливинилхлорида (ПВХ). Кабель ПвВГ имеет изоляцию из сшитого полиэтилена (XLPE) и оболочку из ПВХ. ПвВГ обладает более высокой допустимой температурой нагрева жилы (+90°C против +70°C у ВВГ), лучшими диэлектрическими характеристиками, большей стойкостью к тепловому старению и растрескиванию. Это делает ПвВГ предпочтительным для линий с высокой нагрузкой, в условиях повышенных температур окружающей среды или для ответственных объектов.

Можно ли прокладывать кабель с изоляцией PE/XLPE на открытом воздухе без защиты?

Кабели с оболочкой из обычного (нестабилизированного) полиэтилена не предназначены для открытой прокладки под прямыми солнечными лучами, так как УФ-излучение вызывает деградацию полимера, ведущую к потере механической прочности и растрескиванию. Для открытой прокладки должны применяться кабели с оболочкой из светостабилизированного (черного) полиэтилена, имеющего в составе сажу или другие УФ-стабилизаторы, либо кабели с внешней оболочкой из ПВХ, стойкого к УФ.

Что такое «водопродольная стойкость» кабеля с изоляцией XLPE и почему она важна?

Водопродольная стойкость – это способность конструкции кабеля препятствовать продольному распространению влаги по его внутренним элементам (под оболочкой, вдоль экранов) в случае локального повреждения внешних покровов. Для кабелей с изоляцией XLPE на среднее и высокое напряжение проникновение воды крайне опасно, так как под действием электрического поля вода вызывает развитие «водных древ» – микротрещин в изоляции, ведущих к пробою. Для повышения водопродольной стойкости применяют герметизацию: заполнение межжильного пространства гидрофобным гелем, наложение герметизирующих лент под оболочку, использование сплошного алюминиевого экрана.

Какой кабель лучше для прокладки в земле: с оболочкой из ПВХ или из PE?

Для прокладки в земле (траншеях) чаще рекомендуется кабель с внешней оболочкой из полиэтилена (PE), например, марки ПвПу или АПвПу. Полиэтиленовая оболочка обладает более высокой стойкостью к влаге, агрессивным химическим веществам, содержащимся в грунте (кислоты, щелочи, соли), и к механическим истирающим воздействиям при засыпке траншеи. ПВХ оболочка может быть более чувствительной к длительному контакту с некоторыми типами грунтов и пластификаторы из нее могут вымываться водой.

Существуют ли негорючие кабели с изоляцией на основе полиэтилена?

Да, существуют. Это кабели с применением безгалогенных огнестойких композиций (LSZH – Low Smoke Zero Halogen). В таких материалах основой также часто является полиэтилен (LDPE, EVA), но в него вводятся большие количества минеральных наполнителей (гидроксид алюминия, гидроксид магния) и специальные добавки. При пожаре такие кабели не распространяют горение, имеют низкое дымообразование и не выделяют коррозионных галогеносодержащих газов. Они маркируются как «нг(A)-LS» или «нг(A)-HFX».

В чем разница между химическим и радиационным способом сшивки полиэтилена?

Химическая сшивка (пероксидная) происходит при высокой температуре и давлении в процессе экструзии. В состав компаунда вводится пероксид (например, дикумилпероксид), который при нагреве распадается, инициируя образование поперечных связей между макромолекулами. Радиационная сшивка осуществляется путем облучения уже готового изделия потоком электронов (β-излучение). Химически сшитый XLPE является основным для силовых кабелей высокого напряжения, так как обеспечивает более однородную и глубокую сшивку по всему объему изоляции. Радиационно сшитый PE часто используется для тонкостенных изоляций, термоусаживаемых трубок и материалов.

Заключение

Кабели с изоляцией из полиэтилена, и особенно сшитого полиэтилена (XLPE), представляют собой технологически продвинутый класс кабельной продукции, определяющий современные стандарты в области передачи и распределения электроэнергии, а также сигналов связи. Их превосходные электрические характеристики, стойкость к внешним воздействиям и возможность работы при повышенных температурах делают их незаменимыми для ответственных и высоконагруженных линий. Выбор конкретного типа кабеля с изоляцией PE – будь то слаботочный кабель связи, контрольный кабель или силовой кабель высокого напряжения – должен основываться на тщательном анализе условий прокладки, эксплуатационных требований и нормативных ограничений, с учетом всех преимуществ и особенностей данного класса материалов.